Nghiên cứu, chế tạo bộ biến đổi DC-DC và DC-AC dùng trong thí nghiệm

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 31
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ DC-AC
DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM
 Nguyễn Viết Ngư, Nguyễn Đình Hùng
 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận bài báo: 22/10/2018
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 12/11/2018
Ngày bài báo được duyệt đăng: 23/11/2018
Tóm tắt:
Hiện nay, việc tăng cường thiết bị để phục vụ đào tạo và nghiên cứu của khoa Điện-Điện tử, trường 
Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên để thực hiện mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng là một nhu 
cầu cấp bách. Căn cứ vào nhu cầu đó, nhóm tác giả có đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ 
biến đổi DC-DC và DC-AC dùng trong thí nghiệm”. Kết quả của đề tài, có độ chính xác cao, đảm bảo được 
đúng yêu cầu đề ra.
Từ khóa: Điện tử công suất, Bộ biến đổi DC-DC, Bộ biến đổi DC-AC.
1. Mở đầu
Hiện nay trên thế giới với nền tảng khoa học 
công nghệ và giáo dục phát triển rất mạnh, nên đã 
có rất nhiều các công ty; tập đoàn như Lucas- nulle 
của Đức; Edipon của Tây Ban Nhatham gia sản 
xuất các thiết bị giáo dục nói chung, thiết bị dạy 
nghề và nghiên cứu ứng dụng nói riêng. Trong đó 
phải kể đến lĩnh vực điện tử công suất, đây là một 
lĩnh vực được khai thác và sử dụng mạnh mẽ trong 
những thập niên gần đây. Đối với các quốc gia phát 
triển mạnh về thiết bị giáo dục nghề nghiệp như 
Đức; Anh; Hàn Quốc, Tây Ban Nha; Đài Loan thì 
các thiết bị đào tạo về điện tử công suất được chế 
tạo với rất nhiều loại hình khác nhau để đáp ứng nhu 
cầu học tập và nghiên cứu. Tuy nhiên giá thành còn 
cao và còn nhiều nội dung chưa phù hợp với điều 
kiện đào tạo trong nước ta.
Trong nước, thiết bị đào tạo và phát triển 
công nghệ Ngọc Huy; Cty TBGD Hồng Đức; Hải 
Hàđã và đang đầu tư phát triển thiết bị thí nghiệm 
- thực hành về điện tử công suất, đã đáp ứng được 
các yêu cầu cơ bản chung về mặt kỹ thuật và kinh 
tế, tuy nhiên để phù hợp với mục tiêu cụ thể của 
từng đơn vị thì vẫn còn phải tiếp tục tìm hiểu và 
nghiên cứu. Đứng trước tình hình trên nhóm nghiên 
cứu đã đưa ra đề xuất “Nghiên cứu, chế bộ biến đổi 
DC-DC và DC-AC dùng trong thí nghiệm” để phục 
vụ nhu cầu đào tạo tại trường.
2. Phân tích lựa chọn vật liệu làm modul
Căn cứ trên cơ sở các tiêu chuẩn về thiết bị 
giáo dục, dựa trên các thiết bị hiện có tại phòng thí 
nghiệm và các thiết bị vật tư hiện có trên thị trường 
trong nước, nhóm nghiên cứu đã phân tích và lựa 
chọn một số vật liệu có đặc điểm như sau để làm 
modul thiết bị:
+ Kích thước mặt modul: 300x250x5mm.
+ Vật liệu làm modul: Phần mặt trước làm 
bằng phíp cách điện, phần mặt sau làm bằng kim 
loại phủ sơn tĩnh điện. 
+ Điểm kết nối thí nghiệm sử dụng chân cắm 
an toàn 4/12mm, khả năng chịu cách điện với điện 
áp 500V.
+ Nắp đậy phía sau sử dụng hộp nhựa PVC 
chống cháy.
2.1. Thiết kế giao diện modul bộ biến đổi DC/DC 
và DC/AC[1-4]
2.1.1. Thiết kế giao diện modul công suất
Hình 1. Giao diện modul công suất bộ biến đổi DC/
DC và DC/AC
Modul công suất được thiết kế với ý tưởng 
bao gồm các 6 van IGBT được sử dụng cho các bộ 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018
biến đổi, tùy thuộc vào từng mạch mà có thể sử 
dụng 1 van, 2 van, 3 van, 4 van hay cả 6 van IGBT. 
Trong mạch có sử dụng điôt và tụ điện C1 để san 
phẳng điện áp nguồn cấp DC. Mạch được bảo vệ 
quá tải và ngắn mạch bằng cầu chì 3A, các điện 
trở 1X được dùng để đo dạng sóng dòng điện qua 
van quá tải hoặc nguồn đầu vào. Từ các ý tưởng đó 
nhóm nghiên cứu đã thiết kế được giao diện như 
Hình 1.
2.1.2. Thiết kế giao diện của modul điều khiển
Modul điều khiển được thiết kế đảm bảo 
thực hiện được các mạch như: Xung áp đơn, xung 
áp kép điều khiển đối xứng, xung áp kép điều khiển 
không đối xứng, mạch nghịch lưu 1 pha bán cầu, 
mạch nghịch lưu một pha cầu H và mạch nghịch lưu 
ba pha. Các tín hiệu điều khiển được đưa ra các đầu 
nối an toàn tương ứng với các van bên mạch công 
suất để có thể kết nối linh hoạt với các bộ modul 
công suất khác nhau. Trên modul có thiết kế 1 núm 
điều chỉnh độ rộng xung và 2 công tắc chọn chế độ 
1 pha hay 3 pha, chế độ DC/DC hay DC/AC. Mạch 
hoạt động khi công tắc nguồn điều khiển được bật 
lên trạng thái ON với đèn báo nguồn màu xanh và 
dừng khi công tắc nguồn về vị trí OFF với trạng thái 
đèn báo mầu đỏ. Từ các đặc điểm và yêu cầu trên 
nhóm nghiên cứu đã thiết kế giao diện điều khiển 
như Hình 2.
Hình 2. Giao diện modul điều khiển biến đổi DC/
DC và DC/AC
2.1.3. Thiết kế và lựa chọn mạch công suất
a. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Mạch công suất được thiết kế đảm bảo thí 
nghiệm được các mạch xung áp nối tiếp, xung áp 
song song, xung áp kép, nghịch lưu nguồn áp 1 pha 
và 3 pha như hình PL1.
b. Tính toán lựa chọn các phần tử công suất
Thiết bị thí nghiệm được chọn phù hợp với 
công suất và các thiết bị tại phòng thí nghiệm. Theo 
yêu cầu đề tài nhóm nghiên cứu chọn các van công 
suất đảm bảo làm việc được với nguồn điện áp đầu 
vào lớn nhất là 310VDC và dòng điện tải lớn nhất 
là I = 1,5A.
Với nội dung khảo sát các mạch xung áp một 
chiều và các mạch nghịch lưu nguồn áp một pha và 
ba pha, như vậy ta phải chọn cho từng trường hợp 
sau đó chọn trường hợp điện áp và dòng lớn nhất thì 
sẽ đáp ứng được nhiều loại tải. Để đơn giản ta bỏ 
qua chế độ quá độ, chỉ xét đến chế độ xác lập. Khi 
mạch làm việc với mạch xung áp nối tiếp, xung áp 
song song, xung áp kép, nghịch lưu nguồn áp 1 pha 
và 3 pha thì van công suất phải chịu dòng điện lớn 
nhất bằng dòng điện tải, còn điện áp lớn nhất bằng 
điện áp nguồn.
IV = Id = 1,5 A ; UV max = 310 V
Theo điều kiện làm mát tự nhiên thì van 
công suất cần chọn phải thỏa mãn điều kiện về điện 
áp và dòng làm việc như sau:
+ Dòng điện làm việc định mức của IGBT 
được chọn thỏa mãn điều kiện.
I
TrRMS
 $ (3'4).I
t
 = (3'4).1,5 = (4,5'6) A
+ Điện áp chịu được lớn nhất của IGBT khi 
ở trạng thái khóa.
U $ (1,6'2).U
max
 = (1,6'2).310 = (496'620) V.
2.1.4. Thiết kế và lựa chọn mạch điều khiển
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển như Hình PL2.
2.2. Lắp ráp hoàn thiện sản phẩm
a. Modul công suất sau khi hoàn thiện
Hình 3. Hình ảnh sản phẩm modul công suất
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 33
b. Modul điều khiển sau khi hoàn thiện
Hình 4. Hình ảnh sản phẩm modul điều khiển
2.3. Khảo sát tín hiệu trên mạch điều khiển
Hình 5. Hình ảnh khảo sát và kiểm tra thiết bị
2.3.1. Khảo sát mạch xung áp một chiều nối tiếp 
với tải động cơ điện DC
a. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 6. Sơ đồ mạch điện
b. Kết quả khảo sát
Điện áp nguồn U=15VDC.
Hình 7. Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với 
PWM = 5%
2.3.2. Khảo sát mạch xung áp đảo dòng với tải 
động cơ điện DC
a. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 8. Sơ đồ mạch điện
b. Kết quả khảo sát
Điện áp nguồn U=15VDC.
Hình 9. Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với 
PWM = 5%
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology34 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018
2.3.3. Khảo sát mạch xung áp kép điều khiển 
không đối xứng với tải động cơ điện DC
a. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 10. Sơ đồ mạch điện
b. Kết quả khảo sát
Điện áp nguồn U=15VDC.
Hình 11. Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với 
PWM = 5%
Kết quả khảo sát trên Hình 7, Hình 9 và Hình 
11 cho thấy, thiết bị đã hoạt động đúng theo nguyên 
lý, dạng sóng điện áp đầu ra có chất lượng tốt.
2.3.4. Khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp một 
pha sử dụng 4 IGBT với tải R
a. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 12. Sơ đồ mạch điện
b. Kết quả khảo sát
Điện áp nguồn U=15VDC.
Hình 13. Dạng sóng điện áp trên tải
2.3.5. Khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp ba 
pha với tải R
a. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 14. Sơ đồ mạch điện
b. Kết quả khảo sát
Điện áp nguồn U=15VDC.
Hình 15. Dạng sóng điện áp trên tải pha A, pha B
Kết quả khảo sát trên Hình 13 và Hình 15 
cho thấy, thiết bị đã hoạt động đúng theo nguyên lý, 
dạng sóng điện áp đầu ra có chất lượng tốt.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 35
3. Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu và khảo sát các 
mạch xung áp một chiều và mạch nghịch lưu với 
bộ thí nghiệm điện tử công suất do nhóm nghiên 
cứu chế tạo, chúng tôi xin đưa ra một số nhận xét 
như sau:
Bộ thí nghiệm hoạt động tương đối tốt với 
các mạch xung áp đơn nối tiếp, xung áp kép loại A, 
xung áp kép loại B, mạch nghịch lưu một pha và 
ba pha nguồn áp đảm bảo đúng nguyên lý. Các kết 
quả thí nghiệm thu được đảm bảo đúng theo cơ sở 
lý thuyết, tuy nhiên còn một vài sai số do các chế 
độ làm việc thực tiễn và lý thuyết được xét ở điều 
kiện lý tưởng. Thiết bị hoạt động khá ổn định với 
các loại tải cơ bản như tải thuần trở, tải động cơ 
điện một chiều và tải động cơ không đồng bộ ba 
pha. Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng trong 
việc giảng dạy cho học phần thí nghiệm điện tử 
công suất và truyền động điện tại khoa Điện - Điện 
tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2000.
[2]. Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2007.
[3]. Nguyễn Trọng Linh, Điện tử công suất, Tài liệu dịch tác giả Ashfaq Ahmed, năm 2004.
[4]. Trần Văn Thịnh, Thiết bị điện tử công suất, Lưu hành NB - ĐHBKHN, năm 2000.
[5]. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điện tử công suất hãng Lucas- nulle- EPE10.
RESEARCH AND MANUFACTURE DC-DC AND DC-AC CONVERTERS
USED IN EXPERIMENT
Abstract:
Currently, the strengthening of equipment for training and research of the Faculty of Electrical and 
Electrical Engineering, Hung Yen University of Technology and Education to implement the application-
oriented training goal is an urgent need. Based on that demand, the authors have proposed to implement 
the project “Research and manufacture DC-DC and DC-AC converters used in experiment”. The results of 
the project, with high accuracy, ensure the required requirements.
Keywords: Electronic Power, DC-DC converter , DC-AC converter.
Phụ lục
Hình PL1. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Trên sơ đồ nguyên lý mạch công suất gồm có điôt D3 và tụ điện C1 được dùng để lọc và san phẳng 
điện áp trước khi đưa vào bộ biến đổi công suất. Các cầu chì từ F1 đến F3 được dùng bảo vệ quá tải và ngắn 
mạch cho các van công suất. Các điện trở từ R1 đến R3 được sử dùng để đo dạng sóng dòng điện trong 
mạch. Các van công suất từ V1 đến V6 được hoạt động đóng cắt theo nguyên lý từng bộ biến đổi và phụ 
thuộc vào phần điều khiển.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology36 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018
Hình PL2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Mạch điện được hoạt động theo nguyên lý cơ bản như sau: Nguồn điện xoay chiều 12VAC được 
cấp vào mạch chỉnh lưu, sau đó qua các tụ lọc và IC ổn áp nguồn tạo ra nguồn 5V để cấp cho vi điều khiển, 
nguồn 15V để cấp cho các IC khuếch đại tín hiệu cấp vào cực điều khiển của các IGBT. Các xung điều 
khiển phụ thuộc vào chế độ và chương trình điều khiển kết hợp với các tín hiệu ngắt từ các công tắc chọn 
chế độ được nối qua cầu đấu dây X8. Biến trở VR5K được sử dụng để thay đổi độ rộng xung điều khiển.